具体实施方式

下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明旨在通过在硅薄膜的两侧分别设置压电层，能够使得提高执行器的驱动力，从而执行器获得更大的位移、力或者转角。图1为本发明实施方式的压电MEMS执行器的原理示意图。如图所示，压电MEMS执行器包括硅薄膜100、位于硅薄膜100第一表面(图示中的上表面)的第一压电层200，和位于硅薄膜100第二表面(图示中的下表面)的第二压电层300。

本发明实施方式的压电MEMS执行器中还可以包括必要的电极结构，其中，近第一压电层的电极结构称为第一电极结构，类似地，邻近第二压电层的电极结构称为第二电极结构。

图2为本发明第一实施例的压电MEMS执行器的剖面示意图。如图2所示，电极结构采用单个电极层的形式。第一电极结构为第一压电层200的第一表面的第一电极单层401，第二电极结构为位于第二压电层的第二表面的第二电极单层501。这种情况下，硅薄膜层100还作为两个压电层的公用电极。工作时，需要合理设置第一电极单层401和第二电极单层501的电性使得第一压电层200和第二压电层300中电场方向一致。

图3为本发明第二实施例的压电MEMS执行器的剖面示意图。如图3所示，电极结构采用一对电极对的形式。第一电极结构包括位于第一压电层200上下表面的第一电极对402a、402b，第二电极结构包括位于第二压电层300上下表面的第二电极对502a、502b。工作时，需要合理设置第一电极对402a、402b和第二电极对502a、502b的电性使得第一压电层200和第二压电层300中电场方向一致。

根据本发明实施方式的压电MEMS执行器，硅薄膜可以为单晶硅。单晶硅具有良好的机械特性(高机械强度、高线性度、低蠕变等)，并且内应力小，因此能够提高执行器的输出位移、力或转角，以及更好的线性度、一致性和可靠性。

根据本发明实施方式的压电MEMS执行器，第一压电层和第二压电层的材料为压电薄膜，包括氮化铝、掺杂氮化铝或者PZT。

根据本发明实施方式的压电MEMS执行器，硅薄膜的厚度可以为0.1至50微米，或者为1至10微米。第一压电层的厚度或第二压电层的厚度可以为10纳米至10微米，或者0.1微米至5微米。

其中，当第一压电层与第二压电层二者的厚度差异较小时，两个压电层内部的残余应力可以几乎抵消。例如，第一压电层的厚度h1与第二压电层的厚度h2可以满足如下条件：(|h1-h2|)/(h1+h2)＜0.25，或者，(|h1-h2|)/(h1+h2)＜0.05。

其中，硅薄膜厚度比压电层厚度更大，这样硅薄膜可以主要作为执行器的结构层，同时由于压电层之间的间距较大(主要由硅薄膜提供)，这两层压电层的机械耦合作用降低，可以进一步提高执行器的稳定性和工作带宽。例如，硅薄膜厚度h3与第一压电层厚度h1以及第二压电层厚度h2可以满足如下条件：h3>(h1+h2)，或者，h3>5×(h1+h2)。

根据本发明实施方式的压电MEMS执行器，还可以包括基底，该基底的顶表面与硅薄膜平行。这样有利于压电薄膜的均匀生长以及上下对称分布。

根据本发明实施方式的压电MEMS执行器，执行器可以工作在机械谐振点或者非机械谐振点。当执行器工作在其机械谐振点处时，可以通过调整上下压电层总厚度和硅薄膜厚度的比例调整执行器的谐振特征(如Q值)，进而增加其设计自由度；当执行器工作在非谐振点处时，可以通过调整上下压电层内部的电场(通过调整相应电极的电压)来调整执行器的静态特性(如偏转角)，进而增加其设计自由度。

根据本发明实施方式的压电MEMS执行器，执行器具体可以为微镜、扬声器或者开关。

图4a、4b、4c分别为本发明实施例的压电MEMS微镜的立体结构示意图、初始状态剖面图和工作状态剖面图。图中，M1表示镜面结构，B1表示公共的硅薄膜，L11至L14表示压电层，L11与L12晶向相反，并且L13与L14晶向相反，E11至E14表示电极单层。通过将B1作为地电极，在E11和E12施加正电位，并且在E13和E14施加负电位，可实现左右两边执行单元的反向偏转，进而实现镜面结构M1的角度偏转α角。

图4a、4b、4c是以镜面结构M1两边各设置1个执行单元为例进行说明。此处的1个执行单元中包含E11、L11、L12、E12，另1个执行单元中包含E13、L13、L14、E14。另外也可以在镜面结构M1两边设置多个执行单元，如图5所示，镜面结构M1两边各设置两个执行单元，图中箭头表示了电场方向。在镜面结构两边执行单元电场方向不对称的情况下镜面即可旋转。优选的方式是镜面结构两边设置相同数量的压电结构，同一边的压电结构的电场方向相同，并与另一边压电结构的电场方向相反。例如图5所示，镜面结构M1左边的执行压电层的电场方向都为向上，右边的执行单元的电场方向则都为向下。

图6a、6b、6c分别为本发明实施例的压电MEMS扬声器的立体结构示意图、初始状态剖面图和工作状态剖面图(其中剖面图是指立体图中以P1面和P2面作为剖面)。图中，C1和C2表示电极引脚，M12和M22表示执行单元，B21和B22表示硅薄膜，L21至L24表示压电层，L21与L22晶向相反，并且L23与L24晶向相反，E21至E24表示电极单层。通过将B21和B22作为地电极，在E21、E22、E23和E24施加相同极性的电位(如正电位或负电位)，实现M12和M22两个执行器的同向偏转，进而推动空气实现声压转化。

图7a和7b分别为本发明实施例的压电MEMS开关的初始状态剖面图和工作状态剖面图。图中，B3表示硅薄膜，L31和L32表示压电层，E31和E32表示电极单层，S3a表示支撑结构，S3b表示抬高结构，触片A和B表示开关的一对导电性良好的触片。通过将B3作为地电极，在E31和E32施加极性相同的电位(如正电位或负电位)，实现执行器的大角度偏转，从而实现触片A和B的离合控制，最终实现压电MEMS开关的开断控制。

根据本发明实施方式的压电MEMS执行器及其运行方法可知，通过在硅薄膜的两侧分别设置压电层，能够使得提高执行器的驱动力和机械特性，从而执行器获得更大的位移、力或者转角。

为使本领域技术人员更好地理解，下面详细介绍压电MEMS微镜的形成方法。

图8a至图8c为本发明第一实施例的压电MEMS微镜的形成方法的过程示意图。首先，如图8a所示，在SOI硅片上制作压电层和电极层。B2为SOI硅片的底硅，OX为SOI硅片的埋氧层，B1为SOI硅片的顶硅，其中顶硅的厚度即为执行器硅薄膜的厚度。L2和L4为压电层，E2和E4为电极层。其次，如图8b所示，翻转前一步骤得到的半导体结构后与另一个带有空腔的硅片B3键合。然后，如图8c所示，去除底硅B2和埋氧层OX后，在顶硅B1之上形成另一侧的压电层L1和L3、电极层L1和L3以及镜面M1。

图9a至图9c为本发明第二实施例的压电MEMS微镜的形成方法的过程示意图。首先，如图9a所示，在SOI硅片(包括底硅B2、埋氧层OX、顶硅B1)上形成压电层L1和L3、电极层E1和E3、以及镜面M1。其次，如图9b所示，采用背面刻蚀工艺，去除埋氧层OX和底硅B2。然后，如图9c所示，在背面空腔内部的硅薄膜(即顶硅B1)表面形成对应的压电层L2和L4、电极层E2和E4。

图10a至图10e为本发明第三实施例的压电MEMS微镜的形成方法的过程示意图。首先，如图10a所示，在普通硅片B1上形成压电层L1和L3、电极层E1和E3、以及镜面M1。其次，如图10b所示翻转后和临时支撑层D1粘合，其中临时支撑层的材料可以为光刻胶或者其他聚合物。然后，如图10c所示，减薄硅片B1厚度后得到硅薄膜B1，在减薄面形成对应的压电层L2和L4以及电极层E2和E4。接着，如图10d所示，在上方键合带有空腔的基底B2。最后，如图10e所示，翻转后去除临时支撑层D1。

根据本发明实施方式的压电MEMS执行器的形成方法，具有简便易行的优点，能够在硅薄膜的两侧分别形成压电层，能够使得提高执行器的驱动力，从而执行器获得更大的位移、力或者转角。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。